Виробництво паперу: глобальний погляд на обробку целюлози та формування паперового аркуша

Папір, повсюдний матеріал у сучасному суспільстві, відіграє вирішальну роль у комунікації, пакуванні та незліченній кількості інших застосувань. Цей блог-пост заглиблюється у складний процес виготовлення паперу, досліджуючи перетворення сировини на готовий продукт, з акцентом на глобальні варіації та сталі практики.

I. Сутність паперу: розуміння целюлози

За своєю суттю, папір — це мережа целюлозних волокон. Целюлоза — це природний полімер, що міститься в клітинних стінках рослин. Джерело цих волокон значно впливає на характеристики кінцевого паперового продукту. Поширені джерела включають:

• Деревина: Найпоширеніше джерело, яке отримують як з хвойних (напр., сосна, ялиця), так і з листяних (напр., дуб, береза) дерев. Волокна хвойних порід зазвичай довші і забезпечують міцність, тоді як волокна листяних порід надають гладкість та кращу придатність до друку.
• Макулатура: Важливий елемент сталого виробництва паперу. Перероблені волокна можуть бути включені до складу різних сортів паперу, зменшуючи попит на первинну деревну целюлозу.
• Недеревні волокна: Набувають все більшого значення, особливо в регіонах, де деревні ресурси обмежені або де потрібні специфічні властивості паперу. Приклади включають:
• Бамбук: Швидкоросла та стала альтернатива, особливо популярна в Азії.
• Бавовна: Використовується для високоякісних паперів, таких як архівний папір та банкноти, відома своєю міцністю та довговічністю.
• Коноплі: Міцний та екологічно чистий варіант, що набирає популярності на ринках спеціальних паперів.
• Багаса: Волокнистий залишок після переробки цукрової тростини, що широко використовується у виробництві паперу в таких країнах, як Бразилія та Індія.
• Солома: Пшенична, рисова та інша солома може використовуватися, хоча часто потребує більш інтенсивної обробки.

II. Обробка целюлози: від сировини до волокнистої суспензії

Обробка целюлози включає відділення целюлозних волокон від сировини та їх підготовку до формування аркуша. Цей процес зазвичай складається з кількох ключових етапів:

A. Попередня обробка: підготовка сировини

Початкові етапи включають підготовку сировини до варіння. Це може включати:

• Окорка (для деревини): Видалення зовнішньої кори з колод для запобігання потраплянню домішок у целюлозу. На багатьох комбінатах по всьому світу поширені великі окорочні барабани.
• Рубання на тріску (для деревини): Розрізання колод на дрібні, однорідні тріски для полегшення ефективного варіння.
• Очищення (для макулатури): Видалення забруднень, таких як скріпки, пластик та клей.
• Подрібнення та очищення (для недеревних волокон): Підготовка недеревних волокон шляхом їх подрібнення на менші шматки та видалення домішок, таких як бруд та листя.

B. Варіння: вивільнення волокон

Варіння — це процес відділення целюлозних волокон від лігніну (складного полімеру, що зв'язує волокна) та інших компонентів сировини. Існує два основні методи варіння:

1. Механічний спосіб отримання маси

Механічний спосіб отримання маси покладається на фізичну силу для розділення волокон. Він забезпечує високий вихід маси (близько 95%), що означає, що велика частина сировини перетворюється на масу. Однак отримана маса містить значну кількість лігніну, що може спричинити пожовтіння та руйнування паперу з часом. Поширені методи механічного отримання маси включають:

• Дефібрерна маса (GWP): Колоди притискаються до обертового дефібрерного каменя, що розділяє волокна. Цей метод зазвичай використовується для виробництва газетного паперу.
• Рафінерна деревна маса (RMP): Деревна тріска подається між обертовими дисками (рафінерами), які розділяють волокна.
• Термомеханічна маса (TMP): Схоже на RMP, але деревна тріска попередньо нагрівається перед рафінуванням, що пом'якшує лігнін і зменшує пошкодження волокон. TMP виробляє міцнішу масу, ніж GWP або RMP.
• Хіміко-термомеханічна маса (CTMP): Деревна тріска попередньо обробляється хімікатами (напр., сульфітом натрію) перед термомеханічним рафінуванням. Це ще більше пом'якшує лігнін і покращує якість маси.

2. Хімічний спосіб отримання целюлози

Хімічний спосіб отримання целюлози використовує хімічні розчини для розчинення лігніну та розділення волокон. Цей метод призводить до нижчого виходу целюлози (близько 40-50%) порівняно з механічним способом, але отримана целюлоза є набагато міцнішою, білішою та довговічнішою. Поширені методи хімічного отримання целюлози включають:

• Крафт-процес (сульфатний процес): Найпоширеніший хімічний процес отримання целюлози. Деревна тріска вариться в розчині гідроксиду натрію та сульфіду натрію (білий луг). Відпрацьований варильний розчин (чорний луг) відновлюється та обробляється для регенерації хімікатів. Крафт-целюлоза відома своєю міцністю і використовується в широкому асортименті паперової продукції, включаючи пакувальний, друкарський та письмовий папір.
• Сульфітний процес: Деревна тріска вариться в розчині сірчистої кислоти та основи (напр., кальцію, магнію, натрію або амонію). Сульфітний процес виробляє білішу целюлозу, ніж крафт-процес, але отриманий папір зазвичай слабший. Цей метод менш поширений, ніж крафт-процес, через екологічні проблеми, пов'язані з викидами діоксиду сірки.
• Натронний процес: Деревна тріска вариться в розчині гідроксиду натрію. Цей метод переважно використовується для отримання целюлози з недеревних волокон, таких як солома та багаса.

C. Промивка та сортування: видалення домішок та небажаних частинок

Після варіння маса промивається для видалення залишкових хімікатів, лігніну та інших домішок. Сортування видаляє будь-які великі частинки або пучки волокон, які можуть негативно вплинути на якість кінцевого паперового аркуша. Зазвичай використовуються обертові та напірні сортувалки.

D. Відбілювання: підвищення білизни

Відбілювання використовується для підвищення білизни маси шляхом видалення або модифікації залишкового лігніну. Існують різні процеси відбілювання, від хлоровмісних методів (які все частіше виводяться з ужитку через екологічні проблеми) до безхлорних методів (напр., з використанням кисню, озону, перекису водню або перацетової кислоти).

E. Розмол: модифікація волокон для покращення властивостей

Розмол — це вирішальний етап, який модифікує целюлозні волокна для покращення їхніх зв'язувальних характеристик та підвищення міцності, гладкості та придатності паперу до друку. Рафінери використовують механічну дію для фібриляції зовнішніх шарів волокон, збільшуючи їхню площу поверхні та гнучкість. Це дозволяє волокнам ефективніше зчіплюватися під час формування аркуша.

III. Формування аркуша: від суспензії до паперового полотна

Формування аркуша — це процес перетворення суспензії маси на безперервне паперове полотно. Зазвичай це досягається за допомогою папероробної машини, складного обладнання, що виконує кілька критичних функцій:

A. Напірний ящик: рівномірний розподіл суспензії

Напірний ящик — це точка входу суспензії в формуючу частину папероробної машини. Його основна функція — рівномірно розподілити масу по ширині машини та контролювати потік суспензії на формуючу сітку. Існують різні конструкції напірних ящиків, але мета полягає у створенні рівномірного та стабільного струменя суспензії.

B. Формуюча частина: зневоднення та зчеплення волокон

Формуюча частина — це місце, де відбувається початкове зневоднення суспензії і де волокна починають зчіплюватися, утворюючи аркуш. Існує кілька типів формуючих частин, кожна з яких має свої переваги та недоліки:

• Фордріньєр (плоскосіткова частина): Найпоширеніший тип формуючої частини. Суспензія розпилюється на рухому дротяну сітку (формуючу сітку). Вода стікає через сітку, залишаючи за собою полотно з волокон. Для посилення зневоднення використовуються різні елементи, такі як фольги та вакуумні ящики.
• Двосітковий формуючий пристрій: Суспензія впорскується між двома рухомими дротяними сітками. Вода стікає через обидві сітки, що призводить до утворення більш симетричного аркуша з покращеними властивостями. Двосіткові формуючі пристрої зазвичай використовуються для високошвидкісного виробництва паперу.
• Щілинний формуючий пристрій: Схожий на двосіткові пристрої, але суспензія впорскується у вузький проміжок між двома формуючими сітками. Це дозволяє досягти дуже високої швидкості виробництва паперу.

C. Пресова частина: подальше зневоднення та ущільнення аркуша

Після формуючої частини паперове полотно потрапляє в пресову частину, де воно проходить через серію валів (пресів) для видалення більшої кількості води та ущільнення волокон. Преси чинять тиск на полотно, вичавлюючи воду та зближуючи волокна. Це покращує міцність, гладкість та щільність аркуша.

D. Сушильна частина: остаточне зневоднення та стабілізація аркуша

Сушильна частина є найбільшою частиною папероробної машини. Вона складається з серії нагрітих циліндрів (сушильних циліндрів), через які проходить паперове полотно. Тепло від циліндрів випаровує залишки води в полотні, знижуючи його вологість до бажаного рівня. Сушильна частина зазвичай закрита ковпаком для рекуперації тепла та контролю вологості.

E. Каландр: обробка поверхні та контроль товщини

Каландр складається з серії валів, які використовуються для згладжування поверхні паперового полотна та контролю його товщини. Вали чинять тиск на полотно, розплющуючи волокна та покращуючи його глянець та придатність до друку. Каландрування також може використовуватися для надання специфічної обробки поверхні, наприклад, матової або глянцевої.

F. Накат: намотування готового паперу

Кінцевою частиною папероробної машини є накат, де готове паперове полотно намотується на великий рулон. Потім рулон паперу транспортується до відділу переробки, де його розрізають на рулони або аркуші бажаного розміру.

IV. Сталість у виробництві паперу: глобальний імператив

Паперова промисловість стикається зі зростаючим тиском щодо впровадження сталих практик для мінімізації свого впливу на навколишнє середовище. Ключові напрямки включають:

• Стале лісове господарство: Забезпечення відповідального управління лісами, з практиками, що сприяють біорізноманіттю, захисту водних ресурсів та запобіганню вирубці лісів. Схеми лісової сертифікації, такі як Лісова опікунська рада (FSC) та Програма схвалення лісової сертифікації (PEFC), гарантують, що деревна продукція походить зі сталого керованих лісів.
• Використання перероблених волокон: Збільшення використання перероблених волокон у виробництві паперу зменшує попит на первинну деревну целюлозу та мінімізує відходи. Багато країн встановили цілі щодо вмісту перероблених матеріалів у паперовій продукції.
• Збереження води: Зменшення споживання води у процесі виробництва паперу за допомогою ефективних практик управління водними ресурсами та систем замкнутого циклу. Технології очищення води використовуються для очищення та повторного використання технологічної води.
• Енергоефективність: Зменшення споживання енергії у процесі виробництва паперу за допомогою енергоефективного обладнання та процесів. Когенераційні системи, що виробляють як електроенергію, так і тепло, можуть покращити енергоефективність.
• Зменшення використання хімікатів: Мінімізація використання шкідливих хімікатів у процесах варіння та відбілювання. Методи відбілювання без елементарного хлору (ECF) та повністю безхлорні (TCF) стають все більш поширеними.
• Управління відходами: Зменшення та переробка відходів, що утворюються під час виробництва паперу. Тверді відходи можуть використовуватися як паливо в системах рекуперації енергії.
• Зменшення вуглецевого сліду: Впровадження стратегій для зменшення викидів парникових газів від виробництва паперу. Це включає використання відновлюваних джерел енергії, підвищення енергоефективності та оптимізацію транспортної логістики.

Різні країни та регіони прийняли різноманітні нормативні акти та ініціативи для сприяння сталому виробництву паперу. Наприклад, схема екомаркування Європейського Союзу ідентифікує продукти, що відповідають високим екологічним стандартам протягом усього їхнього життєвого циклу. У Північній Америці Ініціатива сталого лісового господарства (SFI) просуває відповідальні практики управління лісами.

V. Інновації в технології виробництва паперу

Паперова промисловість постійно розвивається, з безперервними дослідженнями та розробками, спрямованими на підвищення ефективності, зменшення впливу на довкілля та покращення властивостей паперу. Деякі ключові інновації включають:

• Наноцелюлоза: Використання наноцелюлози, матеріалу, отриманого з деревної маси, для підвищення міцності та інших властивостей паперу. Наноцелюлоза також може використовуватися в інших сферах, таких як пакування та біомедичні матеріали.
• Цифровізація та автоматизація: Впровадження передових систем автоматизації та контролю для оптимізації роботи папероробної машини та підвищення ефективності. Це включає використання датчиків, аналітики даних та штучного інтелекту для моніторингу та контролю процесу виробництва паперу.
• Спеціальні види паперу: Розробка нових типів спеціального паперу з унікальними властивостями для конкретних застосувань, таких як провідний папір для електроніки, бар'єрний папір для пакування та декоративний папір для меблів та дизайну інтер'єру.
• 3D-друк папером: Дослідження використання паперу як матеріалу для 3D-друку, що відкриває нові можливості для створення складних та індивідуалізованих об'єктів.
• Біопокриття: Розробка біопокриттів для паперової упаковки з метою покращення бар'єрних властивостей та зменшення залежності від матеріалів на основі викопного палива.

VI. Глобальний ринок паперу: тенденції та перспективи

Глобальний ринок паперу є великим і різноманітним, зі значними відмінностями у моделях виробництва та споживання в різних регіонах. Азія є найбільшим регіоном з виробництва та споживання паперу, що зумовлено зростанням економік, таких як Китай та Індія. Північна Америка та Європа також є основними ринками паперу, але їхнє споживання в деяких сегментах знижується через зростаюче використання електронних медіа.

Ключові тенденції на глобальному ринку паперу включають:

• Зростання попиту на пакувальний папір: Зумовлене розширенням електронної комерції та зростаючим використанням упакованих товарів.
• Зниження попиту на папір для друку та письма: Через зростаюче використання електронних медіа та цифрової комунікації.
• Зростання попиту на екологічну паперову продукцію: Зумовлене зростаючою обізнаністю споживачів щодо екологічних проблем та все більшим впровадженням політики сталих закупівель бізнесом та урядами.
• Регіональні відмінності в попиті: З швидшим зростанням на ринках, що розвиваються, порівняно з розвиненими країнами.

VII. Висновок: незмінна важливість паперу

Незважаючи на розвиток цифрових технологій, папір залишається важливим матеріалом у сучасному суспільстві. Від комунікації та пакування до гігієни та спеціальних застосувань, папір відіграє життєво важливу роль у нашому повсякденному житті. Процес виробництва паперу, хоч і складний, постійно розвивається, щоб стати більш ефективним, сталим та інноваційним. Розуміючи тонкощі обробки целюлози та формування аркуша, а також впроваджуючи сталі практики, ми можемо забезпечити, що папір і надалі буде цінним та екологічно відповідальним ресурсом для майбутніх поколінь. Оскільки технології розвиваються, а глобальні ринки змінюються, паперова промисловість повинна продовжувати адаптуватися, впроваджувати інновації та надавати пріоритет сталості, щоб залишатися актуальною та конкурентоспроможною в майбутньому.